Тепловые трубы

К новым типам теплопередающих устройств необходимо отнести так называемые тепловые трубы. Устройство и принцип действия тепловой трубы рассмотрим на примере одной из ее разновидностей, представленной на рис. 9.11. Тепловая труба имеет герметичный корпус 1, на внутренней поверхности которого расположен капиллярно-пористый материал – фитиль 2, пропитанный жидким теплоносителем. Корпус обычно выполняют из круглой трубы (но имеются и плоские тепловые трубы). Тепловой поток подводят к участку корпуса на одном из концов тепловой трубы. Внутри трубы на этом участке теплоноситель, пропитывающий фитиль, испаряется, и его пары 3 движутся по центральной части трубы к охлаждаемому участку, где они конденсируются.

Рис. 9.11

Жидкая фаза по фитилю под действием капиллярных сил возвращается в зону испарения. Чрезвычайно теплоемкие процессы парообразования и конденсации обеспечивают очень высокую плотность тепловых потоков, достигающих нескольких кВт/см², в диапазоне температур от -200 до +2500 ^оС. Тепловые трубы способны передавать в сотни раз больше теплоты на единицу массы, чем такие металлы, как медь и серебро (теплопроводность тепловой трубы в 1000 раз больше, чем меди).

Классифицируют тепловые трубы по следующим признакам.

1) По температурному диапазону:

– криогенные – (Т < 200 К);

– низкотемпературные – (Т = 200...550 К);

– среднего диапазона – (Т = 550...750) К;

– высокотемпературные – (Т > 750) К.

2) По виду теплоносителей:

– металлические (калий, натрий, серебро и др.);

– неметаллические (вода, аммиак, фреоны, криогенные жидкости, высоко- температурные органические теплоносители и др.).

3) По форме оболочек и фитилей:

– цилиндрические,

– плоские,

– коаксиальные,

– кольцевые.

4) По роду материала оболочек и фитилей:

– алюминиевые трубы с сетчатым фитилем из нержавеющей стали или алюминиевой металлокерамики;

– медные трубы с фитилем из медной сетки, войлока, керамики.

Факторами, характеризующими работу тепловой трубы и определяющими ее эффективность, являются:

1) Перенос теплоносителя в капиллярнопористом фитиле, т.е. работа капиллярного насоса;

2) Теплосъем путем испарения теплоносителя из капиллярнопористого тела;

3) Гидродинамика процесса переноса массы в паровой фазе от испарителя к конденсатору;

4) Теплоотдача при конденсации пара на пористую поверхность и отвод тепла теплопроводностью через фитиль и стенку трубки.

Любой из вышеуказанных факторов может оказаться лимитирующим, однако наиболее узким местом в успешном использовании тепловых трубок являются первые два фактора.

Получить аналитические зависимости для вычисления передаваемой тепловой трубой плотности теплового потока весьма сложно, так как необходимо учитывать динамику потока жидкости и пара, кинетику фазовых переходов на поверхности раздела жидкость – пар, перенос энергии в капиллярно-пористых телах. По этой причине в настоящее время применяются различные полуэмпирические зависимости, [8].

Наиболее широкие возможности применения тепловых труб в системах теплопередачи Например, в двигателях стирлинга для регенерации теплоты; для охлаждения масла в картерах ДВС и парообразования бензина; для охлаждения сжатых газов в компрессорных станциях; в различного рода бытовых теплообменниках и д.р.

* Фреоны - фторхлорпроизводные углеводородов. Так фреон -142 (международный индекс R- 142) имеет химическую формулу C₂H₃F₂Cl. .